CN111239254A - 岩质基坑开挖过程中岩体损伤监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩质基坑开挖过程中岩体损伤监测方法，具体包括对基坑进行三维数值模拟，结合施工过程中监测信息，确定微震监测区域；在监测区域内，初步确定X种微震传感器布置方案，通过大量的仿真实验，选出最优布置方案；并对确定的传感器布设位置进行安装；在基坑上部放置微震监测基站；将已安装的微震传感器通过光纤接入监测基站；微震传感器安装完成后，进行爆破定位试验，调试系统参数，校核定位误差；根据微震基站的监测数据对基坑当前岩体损伤程度进行评价。本发明将微震监测技术与常规检测相结合，能够快速而准确地确定边坡爆破开挖损失区，合理有效地控制岩体爆破影响范围，对确保施工安全、防止基坑失稳具有重要意义。

Description

岩质基坑开挖过程中岩体损伤监测方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种岩质基坑开挖过程中岩体损伤监测方法。

背景技术

岩质基坑爆破开挖时，爆炸荷载在完成岩石爆破破碎的同时，不可避免地对保留岩体产生动力损伤，形成所谓的开挖损伤区。该损伤区在施工期间受到后续开挖扰动、降雨等不利因素的作用而不断演化扩展，对坡体的局部及整体稳定性和施工安全十分不利。尤其是随着基坑开挖深度不断增加，基坑越来越高陡，需要更加严格的控制开挖爆破对高边坡稳定的影响。基坑开挖过程中坍塌的例子数不胜数，使基坑邻近的建筑物地基与基础脱空、失稳，从而导致上部设施和建筑物开裂、倾斜和不均匀下沉；导致邻近公路路面开裂、局部塌陷；导致邻近管道与基础脱空、管沟断裂，不仅造成巨大损失还会延误工期，特别是还容易造成人员伤亡。

前人对基坑监测的研究很多，但大都是针对土质基坑，对于岩质基坑的研究大都是从土质基坑演变而来，但岩质基坑与土质基坑有显著不同，岩质基坑的损害不仅是上覆土体的破坏，还与下部岩体失稳有关。目前岩质基坑监测与土质基坑监测类似，检测方法包括预埋测斜管通过测斜仪监测不同深度的水平位移、采用几何水准或液体静力水准等方法监测竖向位移、用土压力计测量土压力、用水压力计监测孔隙水压力等，还有锚杆拉力监测、周边地表建筑物沉降监测等多种手段共同监测基坑施工全过程。

目前基坑监测手段虽然很多，但是这些监测内容对于岩质来说，都不能准确反映内部损伤程度及损伤位置，无法准确找到基坑的薄弱区域，并且上述这些监测都是岩体损伤以后的表观现象，均具有滞后性，不能实时准确的得到基坑围岩内部的损伤程度。目前的这些监测内容对于土质基坑适用性更好一些，对于岩质基坑的监测而言，则不能反映出基坑的真实安全状态。

发明内容

本发明的目的在于解决岩质基坑开挖过程中无法实时监测岩体损伤程度的问题，提出了一种岩质基坑开挖过程中岩体损伤监测方法，采用微震监测技术，将微震监测与常规检测相结合，能够利用岩质基坑内岩石破裂过程中产生的微震信号，确定岩体破裂发生的空间位置、发生时间、破裂方式及释放能量等级等参数，并利用这些信息判断潜在的岩质基坑灾害活动规律，对岩体的稳定状态进行评价分析。该检测方法能够快速而准确地确定边坡爆破开挖损失区，合理有效地控制岩体爆破影响范围，对确保施工安全、防止基坑失稳造成人员伤害和财产损失具有重要意义。

本发明的技术方案是：

岩质基坑开挖过程中岩体损伤监测方法，包括如下步骤：

步骤1：对基坑进行三维数值模拟，初步判断基坑潜在的失稳区域，结合施工过程中监测信息，针对失稳区域中的薄弱位置确定微震监测区域；

步骤2：在确定的微震监测区域内，初步确定X种微震传感器布置方案，对基坑监测区域进行仿真实验，实验考虑P波到时读入准确性，以及震源到微震传感器的几何特征等随机因素，通过多次随机模拟的仿真实验对定位误差以及施工难易程度进行初步评价，选出最优布置方案；

步骤3：根据最优布置方案，对确定的传感器布设位置进行安装，在选取安装微震传感器的位置进行钻孔，根据现场设备及施工条件确定孔径深度，保证孔径深度必须到达岩石，采用膨胀螺栓将微震传感器紧密固定于岩石上；

步骤4：将微震传感器的引线引出钻孔，采用泡沫胶填满钻孔底部直到刚好超过传感器高度，待泡沫胶具有一定硬度后，用水泥浆封住钻孔洞口；在基坑上部距开挖面一定范围内合适的位置放置微震监测基站，监测基站包含数据采集系统和计算机；将已安装的微震传感器通过光纤接入监测基站；微震传感器安装完成后，进行爆破定位试验，调试系统参数，校核定位误差；

步骤5：根据微震基站的监测数据对基坑当前岩体损伤程度进行评价，并结合位移、应力监测对基坑整体稳定性进行评价，对薄弱区域及时进行加强监测或加强支护。

岩质基坑微震监测是指利用岩体破裂过程中产生的微震信号来研究和评价基坑工程开挖过程中岩体稳定性的一种地球物理实时监测技术；通过分析煤岩体损伤破裂过程中产生的微震信号，并对微震事件进行震源定位，可以监测岩质围岩内部的应力分布状态、空间破裂形态以及释放的能量。微震监测可以实时反应出内部岩石损伤位置及其损伤程度，判断潜在的岩质基坑灾害活动规律，从而推断岩质基坑的稳定性，利用这些信息能够为岩体稳定性提供实时高效的监测，可以在施工过程中提前针对性的加强支护措施，对提高基坑安全施工具有重大意义。

进一步的，所述步骤1中三维数值模拟的方法为：根据前期地质调查报告得到的数据，对基坑进行开挖全过程模拟，根据基坑稳定性高低来确定安装微震传感器的密度。

进一步的，所述步骤2中确定X种微震传感器布置方案的原则为：

(1)监测区域周边应尽量在空间上被候选点均匀包围；

(2)候选点具有足够和适当的空间密度；

(3)一部分候选点应尽可能接近监测区域，避免较大断层及破碎带影响；

(4)候选点的选取应远离大型电器和机械设备的干扰，布置在噪音小的区域；

(5)候选点的布置既要照顾当前开挖区域，又要兼顾未来一定时期内的开挖区域。

进一步的，所述步骤2中确定最优布置方案的具体操作为：首先确定微震传感器的安装数量，一般不少于4个，初步确定X种微震传感器布置方案后，根据岩体波传播速度概率分布特点、到时误差概率分布特征，采用随机模拟方法，得到各初步布置方案的定位误差期望值，根据定位误差期望值确定最优布置方案。

进一步的，所述步骤2中震源采用P波进行定位，震源到微震传感器的传播时间为：t_i＝T_i(H,V,X)+t₀；其中，H＝(x₀,y₀,z₀)和X_i＝(x_i,y_i,z_i)分别为震源和第i个微震传感器的坐标，V为P波波速，t₀为微震事件的发生时刻，t_i为读入的P波初至到达时刻；i＝1，2，…n，n为微震传感器的数量；从震源H到第i个微震传感器的走时为：

进一步的，根据定位误差期望值确定最优布置方案的具体步骤为：

X种微震传感器布置方案确定后，假设所有的微震传感器都服从相同的正态分布，即

受到随机误差影响，监测区域内H_J点到微震传感器X_i的P波传播时间为

式中，D(H_J,X_i)为H_j到微震传感器x_i的直线距离，<V_P>和<ξ>为随机产生的样本值；当n≥4时，即可利用影响后的t_i,j计算新的震源位置H_J′，H_J′与H_i的震中距离和震源距离即可作为影响后的定位误差；

震中误差为：

震源误差为：

式中，N_m为H_i点上重复试验的次数，利用鲍威尔算法求解震源位置。

进一步的，所述步骤4中通过爆破定位试验，即根据已知震源点坐标、传感器坐标以及地震波到时的反算方法来确定P波波速V_P，计算过程如下：

式中，v_p为微震波P波在所测基坑岩体中的传播速度，i＝4,5,6L n为接收到信号的传感器的数量，s_i为第i个接收到信号的传感器与震源之间的距离，T_i为第i个接收到信号的传感器的到时，(x_i，y_i，z_i)为第i个接收到信号传感器的空间坐标，(x_s，y_s，z_s)为人工爆破震源的空间坐标。

进一步的，所述微震传感器外部套设有PVC管。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出了一种岩质基坑开挖施工过程的微震监测方法及微震传感器布置优化方法，通过优化微震传感器布设方案及确定P波波速的方法，可以实时高效的采集岩体破裂过程中产生的微震信号，并对微震事件进行震源定位；并且可以实时监测岩质围岩开挖过程中内部的应力分布状态、空间破裂形态以及释放的能量，对岩质基坑开挖过程中围岩内部稳定性有实时的了解。

(2)本发明提出了一种使用膨胀螺栓快捷安装微震传感器的方法，该方法操作简单，比以往用锚固剂粘结的方法更牢固，与岩石的接触更紧密，可以更好地传导微震信号，防止监测基坑开挖过程中传感器脱离，避免在监测过程中因接触不好而导致信号传输不稳定，并且该安装方法有利于传感器的位置调整及后期回收；本发明利用PVC管加泡沫胶保护微震传感器的方法，不但可以保护传感器还能减少开挖过程中机械及其他人为噪音的干扰，操作简单，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基坑平面布置及支护单元分布图；

图2为本发明实施例提供的微震传感器测点布置图；

图3为本发明实施例提供的微震事件信号分布图；

图4为本发明实施例提供的基坑微震事件累计能量云图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种岩质基坑开挖过程中岩体损伤监测方法，以如图1所示的基坑平面图为例，将本发明用于岩质基坑开挖全过程，具体包括如下步骤：

步骤1：根据前期地质勘测报告及施工设计方案，使用三维数值模拟对基坑施工全过程进行模拟，对模拟数据进行分析，找到基坑开挖过程中存在的不稳定区域；由于该基坑面积太大，全范围覆盖微震传感器数量有限，为了减少成本，本次实施过程选取了初期数值模拟过程中图1所示的稳定性较差的ABCDEFG支护单元为监测区域。

步骤2：在该微震监测区域内初步确定X种微震传感器布置方案，对基坑监测区域进行大量的仿真实验，实验主要考虑P波波速和P波到时读入误差的影响，首先假设所有的微震传感器都服从相同的正态分布，经过多次重复实验，将定位误差的期望值当做对微震传感器布置方案定位能力评价指标。

其中，在确定X种微震传感器布置方案时，遵循如下原则：不稳定区域周边应尽量在空间上被候选点均匀包围，避免近似形成一条直线或一个平面；具有足够和适当的空间密度；一部分候选点应尽可能接近待测区域避免较大断层及破碎带影响；候选点应远离大型电器和机械设备的干扰，尽量布置在噪音小的区域；既要照顾当前开挖区域,又要考虑未来一定时期内的开挖区域。

按照上述原则选定X种布置方案后，首先假设所有的微震传感器都服从相同的正态分布，即

受到随机误差影响，监测区域内H_J点到微震传感器X_i的P波传播时间为：

式中，D(H_J,X_i)为H_j到微震传感器X_i的直线距离，<v_P>和<ξ>为随机产生的样本值；当n≥4时，即可利用影响后的t_i,j计算新的震源位置H_J′,H_J′与H_i的震中距离和震源距离即可作为影响后的定位误差。经过多次重复试验，定位误差的期望值就可以当做对微震传感器布置方案在H_J上定位能力评价。

从震源H到第i个微震传感器的走时为：

震中误差为：

震源误差为：

式中，N_m为H_i点上重复试验的次数，利用鲍威尔算法求解震源位置。

根据初步选定的X种布置方案算出的震中误差及震源误差值，选定了如图2所示的布置方案，该布置方案算出的误差最小，震源误差为8.9m，震中误差为9.4m。若基坑开挖深度过大，超出了传感器的量程，传感器的位置应当随着基坑开挖不断调整。

步骤3：根据如图2所示的最优布置方案，对确定的传感器布设位置进行安装，在做支护结构之前，在所选定的点用钻机在基坑掌子面钻一个深度为50cm、直径为30cm的孔，再用冲击钻打一个与传感器预留螺孔相同的膨胀螺栓，用膨胀螺栓将微震传感器紧密固定于岩石上。传感器安装牢固不能松动，将引线引出钻孔，用比传感器直径长约5cm的PVC管套住传感器，再用泡沫胶填满钻孔底部直到刚好超过传感器高度，待泡沫胶有一定硬度后再用水泥浆封住洞口，以此隔绝噪音保护传感器，并可方便后期回收；最后在做坑基支护结构时注意留出钻孔的位置或做好标记，方便后期回收微震传感器。

步骤4：在基坑上部距开挖面一定范围内合适的位置放置微震监测基站，监测基站包含数据采集系统和计算机；将已安装的微震传感器通过光纤接入监测基站；

步骤5：完成微震传感器安装后，确定相关参数，首先确定传感器的位置坐标，用激光测距仪对传感器相对于基坑的位置进行确定，将坐标输入数据采集系统，再进行爆破定位试验，通常采用现场实验校准方法测定岩体波速，通过人工定点爆破，即根据已知震源点坐标、传感器坐标以及地震波到时的反算方法来确定波速V_P，计算过程如下：

式中，v_p为微震波在所测基坑岩体中的传播速度，i＝4,5,6L n为接收到信号的传感器的数量，s_i为第i个接收到信号的传感器与震源之间的距离，T_i为第i个接收到信号的传感器的到时，x_i y_i z_i为第i个接收到信号传感器的空间坐标，x_s y_s z_s为人工爆破震源的空间坐标。本实例进行了5次爆破实验，最后取得平均值v_p＝4200m/s。

步骤6：将确定的相关参数输入到数据采集系统中，给采集箱连接无线网络，通过远程操作系统对采集电脑进行远程操作，可以实时在电脑或者手机上远程查看数据或操作采集系统，并且可以实时对围岩内部损伤情况进行监测，减少了操作人员去现场的危险。

本发明方法应用于图1基坑工程中，取得了理想的效果，微震监测效果如图3、4所示。在基坑工程中，微震信号的空间分布规律主要是用于研究围岩内部岩体随开挖过程破裂发展与应力迁移的特征。岩石内部微破裂事件的发生与微震事件的记录有着直接的联系，微震监测到的数据与现场土压力、水压力、测斜等监测数据有密切的关联，证明了本发明的方法用于基坑监测具有很好的效果。

上述说明仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明的限制，凡在本发明的内容范围内所做出的任何修改、等同替换、改型等，均应包含在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.岩质基坑开挖过程中岩体损伤监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对基坑进行三维数值模拟，初步判断基坑潜在的失稳区域，结合施工过程中监测信息，针对失稳区域中的薄弱位置确定微震监测区域；

步骤2：在确定的微震监测区域内，初步确定X种微震传感器布置方案，对基坑监测区域进行仿真实验，实验考虑P波到时读入准确性，以及震源到微震传感器的几何特征等随机因素，通过多次随机模拟的仿真实验对定位误差以及施工难易程度进行初步评价，选出最优布置方案；

步骤3：根据最优布置方案，对确定的传感器布设位置进行安装，在选取安装微震传感器的位置进行钻孔，根据现场设备及施工条件确定孔径深度，保证孔径深度必须到达岩石，采用膨胀螺栓将微震传感器紧密固定于岩石上；

步骤4：将微震传感器的引线引出钻孔，采用泡沫胶填满钻孔底部直到刚好超过传感器高度，待泡沫胶具有一定硬度后，用水泥浆封住钻孔洞口；在基坑上部距开挖面一定范围内合适的位置放置微震监测基站，监测基站包含数据采集系统和计算机；将已安装的微震传感器通过光纤接入监测基站；微震传感器安装完成后，进行爆破定位试验，调试系统参数，校核定位误差；

步骤5：根据微震基站的监测数据对基坑当前岩体损伤程度进行评价，并结合位移、应力监测对基坑整体稳定性进行评价，对薄弱区域及时进行加强监测或加强支护。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤1中三维数值模拟的方法为：根据前期地质调查报告得到的数据，对基坑进行开挖全过程模拟，根据基坑稳定性高低来确定安装微震传感器的密度。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤2中确定X种微震传感器布置方案的原则为：

(1)监测区域周边应尽量在空间上被候选点均匀包围；

(2)候选点具有足够和适当的空间密度；

(3)一部分候选点应尽可能接近监测区域，避免较大断层及破碎带影响；

(4)候选点的选取应远离大型电器和机械设备的干扰，布置在噪音小的区域；

(5)候选点的布置既要照顾当前开挖区域，又要兼顾未来一定时期内的开挖区域。

4.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤2中确定最优布置方案的具体操作为：首先确定微震传感器的安装数量，一般不少于4个，初步确定X种微震传感器布置方案后，根据岩体波传播速度概率分布特点、到时误差概率分布特征，采用随机模拟方法，得到各初步布置方案的定位误差期望值，根据定位误差期望值确定最优布置方案。

5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤2中震源采用P波进行定位，震源到微震传感器的传播时间为：t_i＝T_i(H,V,X)+t₀；

其中，H＝(x₀,y₀,z₀)和X_i＝(x_i,y_i,z_i)分别为震源和第i个微震传感器的坐标，V为P波波速，t₀为微震事件的发生时刻，t_i为读入的P波初至到达时刻；i＝1，2，…n，n为微震传感器的数量；从震源H到第i个微震传感器的走时为：

6.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，根据定位误差期望值确定最优布置方案的具体步骤为：

X种微震传感器布置方案确定后，假设所有的微震传感器都服从相同的正态分布，即

ξ～N(0，σ_t)，受到随机误差影响，监测区域内H_J点到微震传感器X_i的P波传播时间为

式中，D(H_J,X_i)为H_j到微震传感器x_i的直线距离，<V_P>和<ξ>为随机产生的样本值；当n≥4时，即可利用影响后的t_i,j计算新的震源位置H_J′，H_J′与H_i的震中距离和震源距离即可作为影响后的定位误差；

震中误差为：

震源误差为：

式中，N_m为H_i点上重复试验的次数，利用鲍威尔算法求解震源位置。

7.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤4中通过爆破定位试验，即根据已知震源点坐标、传感器坐标以及地震波到时的反算方法来确定P波波速V_P，计算过程如下：

式中，v_p为微震波P波在所测基坑岩体中的传播速度，i＝4,5,6L n为接收到信号的传感器的数量，s_i为第i个接收到信号的传感器与震源之间的距离，T_i为第i个接收到信号的传感器的到时，(x_i，y_i，z_i)为第i个接收到信号传感器的空间坐标，(x_s，y_s，z_s)为人工爆破震源的空间坐标。

8.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述微震传感器外部套设有PVC管。

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